量子技术是一个不断发展的物理和工程领域,它利用量子力学的特性作为量子计算、传感器、信息、通信和医学等高级实际应用的基础。这有望带来一个全新的不同的新技术时代。计算机将更加强大,医疗将不可侵入并且比现在更安全,甚至可以设想远程传送。这一发展的核心现象是量子相变。

QC观察丨量子涨落成功成像-量子客

量子涨落是什么?

在量子力学中,量子涨落是在空间任意位置对于能量的暂时变化。从维尔纳·海森堡的不确定性原理可以推导出这结论。根据这原理的一种表述,能量的不确定性△E 与能量改变所需的时间△t ,两者之间的关系式为:
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其中h是约化普朗克常数。这意味着能量守恒定律好像被违反了,但是仅持续很短的时间。因此,在空间生成了由粒子和反粒子组成的虚粒子对。粒子对借取能量而生成,又在短时间内湮灭归还能量。这些产生的虚粒子的物理效应是可以被测量的,例如,电子的有效电荷与裸电荷不同。从量子电动力学的兰姆位移与卡西米尔效应,可以观测到这效应。量子涨落对于宇宙大尺度结构的起源非常重要,可以解释宇宙为什么会出现超星系团、纤维状结构这一类结构的问题:根据宇宙暴胀理论,宇宙初期是均匀的,均匀宇宙存在的微小量子涨落在暴胀之后被放大到宇宙尺度,成为最早的星系结构的种子。

量子涨落成功成像

相变存在于我们的日常生活中,从我们早晨咖啡的水煮沸到我们饮料中的冰块融化。在固相、液相和气相之间的这些相变中,我们可以直接看到转变的某些方面。我们在另一相中看到这一相的气泡——例如沸水中的空气泡或冰淤中的水滴。为了看到这些相变,我们只需要我们的眼睛即可。我们都熟悉的这些“经典”相变具有共同的特征,即它们的驱动力是温度。冰在0摄氏度下融化并在100摄氏度下蒸发。如果我们可以不用在水壶里加热水来泡一杯茶,而是将一杯冷水放在靠近磁铁的地方将之煮沸,这有多么酷!在我们的世界中,这是不可能的,但在量子世界中它是可以实现的。科学界最近对不同类型的相变(“量子相变”)越来越感兴趣,这些相变发生在绝对零温度(零下273度)。这些转变不是由温度驱动,而是通过改变不同的物理特性来驱动,例如机械压力或磁场。与经典相变类似,量子相变也伴随着一相的“气泡”存在于另一相中。这些气泡的科学术语是量子涨落(Quantum fluctuations)。与经典情况不同,温度的变化是气泡的原因,在量子情况下,气泡是由于不确定性原理而产生的,这是量子物理学中的基本规则之一。这个原则,由德国物理学家Werner Heisenberg开发,指出与我们的直觉相反,真空不是空的,而是包含空间中某个点的能量的临时变化。即使在绝对零温度下,这些变化也会导致一相的量子气泡进入第二相。到目前为止,还无法拍摄这些量子涨落。它们在非常低的温度下发生,并且多次涉及物理相,这是常规显微镜无法看到的。尽管在许多测量中出现了它们存在的间接证据,但没有人真正看到它们。但由以色列Bar-Ilan大学物理系和纳米技术研究所的Beena Kalisky教授和Aviad Frydman教授领导的国际小组首次成功地成像量子涨落。在他们今天发表在《自然物理学》杂志的文章中,不仅可以看到量子涨落,而且还展示了关于量子事件的大小、时间和分布的新信息。研究人员采用了一种独特的显微镜,可以在非常低的温度下操作,以检查经历量子相变的材料。这种称为扫描SQUID(超导量子干涉装置)的显微镜可以检测非常小的磁信号,并以亚微米分辨率绘制其位置图。显微镜使用量子现象将磁信号转换为电压,是研究纳米级复杂现象的理想工具。该实验由研究生Anna Kremen进行,他使用敏感的磁测量来识别材料中的不同相。在非常低的温度下——接近绝对零度,样品被推向预期量子行为的区域,而扫描SQUID显微镜用于拍照。值得注意的是,量子气泡出现在随机位置。他们随着时间的推移时隐时现,或偶尔出现在不同的地方。我们已经习惯了沸水中气泡的这种行为,但现在在量子物质中也可以看到类似的气泡。该实验为量子事件的详细研究打开了一扇大门。图像允许提取物理量,例如大小、动态、分布以及与其他现象的相互作用。这种观察量子涨落的新能力有望成为量子技术未来发展的基本工具。

该研究得到了欧洲研究理事会,以色列科学基金会和美国-以色列双重科学基金会的资助。

本文是《量子计算前沿》基于相关资料原创编译,并整理在量子客(Qtumist.com)上发布。

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